JP2936871B2 - Tunneling field effect transistor - Google Patents
Tunneling field effect transistorInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は微分負性抵抗特性を持つ
電界効果トランジスタに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor having a differential negative resistance characteristic.
【0002】[0002]
【従来の技術】トンネリングを用いた負性抵抗素子とし
ては、共鳴トンネリング構造を、ヘテロ接合バイポーラ
トランジスタや電界効果トランジスタと組み合わせた、
共鳴トンネリングバイポーラトランジスタ(Reson
ant tunnelingBipolar Tran
sistor)等が知られており、排他的論理和や多値
状態保持ゲートをはじめ、ラッチ回路やNOR回路など
が単体トランジスタで構成できるなど機能素子として優
位性が期待されている。これらの素子については例え
ば、カパソ(Cappasso)らによりエレクトロン
・デバイスィズ(Electron Device
s)、vol.36、pp2065、1989に述べら
れている。2. Description of the Related Art As a negative resistance element using tunneling, a resonant tunneling structure is combined with a heterojunction bipolar transistor or a field effect transistor.
Resonant tunneling bipolar transistor (Reson
ant tunneling Bipolar Tran
Such devices are known, and are expected to have superiority as functional elements such that an exclusive OR, a multi-state holding gate, a latch circuit, a NOR circuit, and the like can be constituted by a single transistor. These devices are described, for example, by Capasso et al. In Electron Devices.
s), vol. 36, pp 2065, 1989.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】半導体の電子親和力と
は、無限遠点から半導体に電子を1つ付加するのに必要
なエネルギーであり、半導体ヘテロ接合を考える場合に
は、伝導帯のエネルギー値を電子親和力に置き換えて考
える事が出来る。従って、半導体ヘテロ接合における伝
導帯エネルギー不連続値は、それぞれの半導体の電子親
和力の差であらわさる。従来の共鳴トンネル効果は、半
導体ヘテロ接合における伝導帯(もしくは価電子帯)エ
ネルギー不連続、すなわち構成半導体間の電子親和力
(もしくは価電子帯のエネルギー)の差を利用してトン
ネル障壁を構成する。ここで言うトンネル障壁とは、半
導体Aから半導体Bへの荷電粒子の移動を阻害する為に設
けられた障壁を示す。この場合、トンネル電流の密度を
上げようとすると障壁高さを低くするか、もしくは障壁
の厚さを薄くする必要がある。これは同時に熱励起によ
り障壁を乗り越える電子の密度を増加させることにつな
がり、リーク電流を増加させる。このため室温で大きな
微分負性抵抗を実現することはむずかしかった。SUMMARY OF THE INVENTION The electron affinity of semiconductors
Is required to add one electron to the semiconductor from infinity
Energy, and when considering a semiconductor heterojunction
Replaces the conduction band energy value with the electron affinity.
Can be obtained. Therefore, the propagation at the semiconductor heterojunction
The conduction energy discontinuity is the electronic parent of each semiconductor.
Expressed by the difference in power. In the conventional resonant tunneling effect, a tunnel barrier is formed using discontinuity of conduction band (or valence band) energy in a semiconductor heterojunction, that is, a difference in electron affinity (or valence band energy ) between constituent semiconductors. The tunnel barrier mentioned here is a half
It is installed to prevent the movement of charged particles from conductor A to semiconductor B.
Shows a barrier that has been broken. In this case, in order to increase the density of the tunnel current, it is necessary to reduce the height of the barrier or to reduce the thickness of the barrier. This at the same time leads to an increase in the density of electrons crossing the barrier due to thermal excitation, increasing the leakage current. Therefore, it was difficult to realize a large differential negative resistance at room temperature.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明のトンネリング電
界効果トランジスタによれば、従来のバンド内(伝導帯
内もしくは価電子帯内)トンネリングに比べ、伝導帯と
価電子帯とのバンド間トンネリングを用いるためリーク
電流が抑制でき、かつ大きなトンネル電流を得ることが
出来る。半導体Aの伝導帯から半導体Bの価電子帯へのト
ンネル現象を利用する場合では、トンネル障壁層とし
て、半導体Aに対しては伝導帯エネルギー不連続が大き
く、半導体Bに対しては価電子帯エネルギー不連続が大
きい材料を利用する事が出来るからである。 According to the tunneling field effect transistor of the present invention, the inter-band tunneling between the conduction band and the valence band can be performed in comparison with the conventional in-band (in the conduction band or in the valence band) tunneling. Since it is used, a leak current can be suppressed and a large tunnel current can be obtained. From the conduction band of semiconductor A to the valence band of semiconductor B
When the tunnel phenomenon is used, a tunnel barrier layer is used.
Therefore, conduction band energy discontinuity is large for semiconductor A.
Large valence band energy discontinuity for semiconductor B
This is because it is possible to use critical materials.
【0005】[0005]
【作用】伝導帯と価電子帯とのバンド間トンネリング
は、通常のヘテロ構造作製に使われる半導体(ひ化ガリ
ウム、ひ化アルミニウムガリウム、ひ化インジウムガリ
ウム、燐化インジウム等)において、正孔に比べ有効質
量の小さい電子が、状態密度の小さい伝導帯から、状態
密度の大きい価電子帯に移動する現象である。このた
め、バンド内トンネリングに比べトンネル確率が大き
い。従ってトンネル電流は大きく、リーク電流は小さく
することが容易に実現できる。[Function] Inter-band tunneling between the conduction band and the valence band is caused by holes in semiconductors (gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium gallium arsenide, indium phosphide, etc.) used for fabricating ordinary heterostructures. This is a phenomenon in which electrons having a smaller effective mass move from a conduction band having a small state density to a valence band having a large state density. For this reason, the tunnel probability is larger than in-band tunneling. Therefore, it is easy to reduce the tunnel current and the leakage current.
【0006】[0006]
【実施例】以下、図面を参照して本発明のトンネリング
電界効果トランジスタの動作を説明する。図1は請求項
1に記載した素子の断面図である。第一の半導体として
p型アンチモン化ガリウム(GaSb)層1、第二の半
導体として真性アンチモン化アルミニウム(AlSb)
層2、第三の半導体として真性ひ化インジウム(InA
s)層3を用いている。森北出版(株)発行のA.G.ミ
ルネス&D.L.フォイヒト原著、酒井善雄 高橋清 森
泉豊栄共訳 「半導体ヘテロ接合」8頁表1・2(以下
文献1)に記載されているように、AlSb、InAs
の電子親和力は、それぞれ、3.65eV、4.9eV
である。従って、半導体中の電子から見たInAsの電
子親和力(伝導帯エネルギー)は、AlSbの電子親和
力(伝導帯エネルギー)に比べ1.25eV低く、Al
Sb層2とInAs層3の界面のInAs側に2次元電
子ガス9が形成される。図に於いてソース電極8、ドレ
イン電極5は電極材料の熱拡散を用いて2次元電子ガス
9とオーミック接触をとっている。図2は第一の構造に
おけるエネルギーバンド図である。前出の文献1に記載
されているように、GaSbの電子親和力は4.06e
V、禁制帯幅は0.68eV、荷電子帯のエネルギーは
4.74eVである。したがって、GaSbの価電子帯
のエネルギー4.74eVはInAsの電子親和力(伝
導帯エネルギー)4.9eVより、電子に対して高エネ
ルギー側にある。ゲート電極6のp−GaSb層1に対
する電位をマイナスからプラス方向へ変化させたときの
様子を(a)、(b)、(c)として示す。InAs層
3中に形成された量子準位はゲート電圧の印加により図
中に示すように変化し、図2(b)で示した状態でP型
GaSb層1の価電子帯のエネルギーと同じになり、こ
のときにAlSb層2を通してバンド間トンネリングが
起こる。バンド間トンネリングが起こると量子準位中の
電子数が増加し、このときにドレイン電流が増加する。
従ってゲート電極を図2で示した(a)、(b)、
(c)の様に変化させるとドレイン電流は図3に示すよ
うに最初増加しその後減少する。従ってドレイン電流は
ゲート電圧の印加に対し微分負性抵抗を持って変化す
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The operation of the tunneling field effect transistor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of an element according to the first aspect. P-type gallium antimonide (GaSb) layer 1 as a first semiconductor, intrinsic aluminum antimonide (AlSb) as a second semiconductor
Layer 2, intrinsic indium arsenide (InA) as the third semiconductor
s) Layer 3 is used . A. published by Morikita Publishing Co., Ltd. G. FIG. Mi
Runes & D. L. Original by Feucht, Yoshio Sakai Kiyoshi Takahashi Mori
Izumi Toyoei Co-translation “Semiconductor Heterojunction” Table 8 on page 8
As described in reference 1), AlSb, InAs
Have electron affinities of 3.65 eV and 4.9 eV, respectively.
It is. Therefore, the InAs charge as viewed from the electrons in the semiconductor
The electron affinity (conduction band energy) is the electron affinity of AlSb.
1.25 eV lower than the force (conduction band energy), Al
A two-dimensional charge is applied to the InAs side of the interface between the Sb layer 2 and the InAs layer 3.
A child gas 9 is formed. In the figure, a source electrode 8 and a drain electrode 5 are in ohmic contact with a two-dimensional electron gas 9 using thermal diffusion of an electrode material. FIG. 2 is an energy band diagram in the first structure. Described in Reference 1 above
As shown, the electron affinity of GaSb is 4.06e.
V, the band gap is 0.68 eV, and the energy of the valence band is
4.74 eV. Therefore, the valence band of GaSb
The energy of 4.74 eV is the electron affinity (transfer) of InAs.
From 4.9 eV, higher energy for electrons
On the rugie side . The states when the potential of the gate electrode 6 with respect to the p-GaSb layer 1 is changed from minus to plus are shown as (a), (b), and (c). The quantum level formed in the InAs layer 3 changes as shown in the figure by the application of the gate voltage, and becomes the same as the energy of the valence band of the P-type GaSb layer 1 in the state shown in FIG. At this time, inter-band tunneling occurs through the AlSb layer 2. When band-to-band tunneling occurs, the number of electrons in the quantum level increases, and at this time, the drain current increases.
Therefore, the gate electrodes shown in FIGS.
When changed as shown in (c), the drain current first increases as shown in FIG. 3 and then decreases. Therefore, the drain current changes with a differential negative resistance to the application of the gate voltage.
【0007】図4に請求項2の素子を、また図5にその
エネルギーバンド図を示す。動作原理は図1の素子と同
じであるが、図1の素子の相補的な動作をする。FIG. 4 shows a device according to claim 2 and FIG. 5 shows an energy band diagram thereof. The principle of operation is the same as that of the element of FIG. 1, but it operates in a complementary manner to the element of FIG.
【0008】[0008]
【発明の効果】本発明のトンネリング電界効果トランジ
スタによれば、従来のバンド内(伝導帯内もしくは価電
子帯内)トンネリングに比べ、伝導帯と価電子帯とのバ
ンド間トンネリングを用いるためリーク電流を抑制で
き、かつ大きなトンネル電流を得ることが出来る。従っ
て、動作する温度範囲や動作マージンが拡大できる。According to the tunneling field-effect transistor of the present invention, compared to the conventional in-band (in the conduction band or in the valence band) tunneling, the inter-band tunneling between the conduction band and the valence band is used. And a large tunnel current can be obtained. Therefore, the operating temperature range and the operating margin can be expanded.
【図1】本発明の実施例を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施例の動作を説明するためのバンド
図である。FIG. 2 is a band diagram for explaining the operation of the embodiment of the present invention.
【図3】本発明の実施例の素子の電流−電圧特性を示す
図である。FIG. 3 is a diagram showing current-voltage characteristics of a device according to an example of the present invention.
【図4】本発明の別の実施例を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing another embodiment of the present invention.
【図5】本発明の別の実施例の動作を説明するためのバ
ンド図である。FIG. 5 is a band diagram for explaining the operation of another embodiment of the present invention.
1 p型GaSb層 2 真性AlSb層 3 真性InAs層 4 ドレイン電極拡散領域 5 ドレイン電極 6 ゲート電極 7 ソース電極拡散領域 8 ソース電極 9 2次元電子ガス 10 2次元正孔ガス 11 n型InAs層 12 真性GaSb層 Reference Signs List 1 p-type GaSb layer 2 intrinsic AlSb layer 3 intrinsic InAs layer 4 drain electrode diffusion region 5 drain electrode 6 gate electrode 7 source electrode diffusion region 8 source electrode 9 two-dimensional electron gas 10 two-dimensional hole gas 11 n-type InAs layer 12 intrinsic GaSb layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/337 - 21/338 H01L 27/095 - 27/098 H01L 29/775 - 29/778 H01L 29/80 - 29/812 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Investigated field (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 21/337-21/338 H01L 27/095-27/098 H01L 29/775-29/778 H01L 29 / 80-29/812
Claims (2)
第一の半導体より電子親和力が小さく価電子帯のエネル
ギーが大きい第二の半導体、真性で第一の半導体の価電
子帯のエネルギーより大きな電子親和力を持つ第三の半
導体により構成され、第二の半導体は第一の半導体から
第三の半導体にトンネル電流が流れるのに十分なほど薄
く、第三の半導体上にソース電極、ゲート電極、ドレイ
ン電極を持つことを特徴とするトンネリング電界効果ト
ランジスタ。A first semiconductor having p-type conduction characteristics;
Valence band energy with lower electron affinity than the first semiconductor
Ghee large second semiconductor, a first semiconductor valence conductive intrinsic
The third semiconductor has an electron affinity greater than the energy of the child band, and the second semiconductor is thin enough to allow a tunnel current to flow from the first semiconductor to the third semiconductor. A tunneling field-effect transistor having a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode.
第一の半導体より電子親和力が小さく価電子帯のエネル
ギーが大きい第二の半導体、真性で第一の半導体の電子
親和力より小さな価電子帯のエネルギーを持つ第三の半
導体より構成され、第二の半導体は第一の半導体から第
三の半導体にトンネル電流が流れるのに十分なほど薄
く、第三の半導体上にソース電極、ゲート電極、ドレイ
ン電極を持つことを特徴とするトンネリング電界効果ト
ランジスタ。2. A first semiconductor having n-type conduction characteristics;
Valence band energy with lower electron affinity than the first semiconductor
A second semiconductor with high energy , an intrinsic third semiconductor having a valence band energy smaller than the electron affinity of the first semiconductor, and the second semiconductor tunnels from the first semiconductor to the third semiconductor. A tunneling field-effect transistor, which is thin enough to allow a current to flow and has a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode on a third semiconductor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4646092A JP2936871B2 (en) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | Tunneling field effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4646092A JP2936871B2 (en) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | Tunneling field effect transistor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05267353A JPH05267353A (en) | 1993-10-15 |
JP2936871B2 true JP2936871B2 (en) | 1999-08-23 |
Family
ID=12747778
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4646092A Expired - Lifetime JP2936871B2 (en) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | Tunneling field effect transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2936871B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2687907B2 (en) * | 1994-12-28 | 1997-12-08 | 日本電気株式会社 | Manufacturing method of tunnel transistor |
-
1992
- 1992-03-04 JP JP4646092A patent/JP2936871B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH05267353A (en) | 1993-10-15 |
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